Modulo ii: balances de materia y energia

Módulo II: Balances de
Materia y Energía
Curso de Capacitación sobre Evaluación
Ambiental y Gestión de Riesgos Ambientales
Presenta: Ing. Leonel Hernández
Depto. de Ciencias Energéticas y Fluídicas
Universidad Centroamericana José Simeón
Cañas
Unidad 1
¾
Importancia y ubicación de los balances
de materia y energía.
Introducción
¾ Importancia de los balances de materia y
energía para la evaluación de impacto
ambiental.
¾ Tipos de procesos y se representación
¾ Variables de proceso
¾ Sistemas de unidades.
¾
Introducción
Este módulo está orientado a exponer las bases de
los balances de materia y energía y su utilidad
para el análisis de los procesos naturales e
industriales que suelen presentarse en los estudios
de impacto ambiental. No se trata de cubrir las
técnicas de resolución de problemas que suelen
abordarse en un curso formal de este tema, sino
de identificar los aspectos clave en los que se
basan dichos balances.
Importancia de los balances de
materia y energía
„
„
„
„
La materia y la energía se encuentran en constante estado de flujo
en la naturaleza, y lo que la humanidad ha hecho es aprovechar
esta tendencia para obtener bienestar, alimentos, fuentes
energéticas y otras cosas.
Normalmente se asocia este tema con los cálculos realizados
principalmente por los ingenieros químicos, pero alguna noción de
ellos deben tener también todas las ramas de la ingeniería, así como
las disciplinas químicas y biológicas.
Los balances de materia y energía son la herramienta con la que se
analiza la situación de estabilidad de un proceso, y para determinar
la manera cómo se distribuyen los componentes en los sistemas o
entre sistemas en contacto directo.
También son de utilidad para cuantificar la energía transferida o
consumida por los sistemas, el cómo esta transferencia afecta las
propiedades de los sistema y la cantidad de energía útil que se
puede obtener de las transformaciones.
Importancia de los balances de
materia y energía
„
„
Una de las aplicaciones más notables de los balances de
materia y energía se encuentra en la metodología
conocida como Análisis de Ciclo de Vida (ACV), usada
para evaluar la sostenibilidad de procesos productivos y
de los impactos medioambientales, con el fin de
optimizar los recursos y producir mejoras ambientales
aplicables a sistemas productivos.
Este último enfoque requiere una extensa recopilación
de información acerca de la transformación de los
materiales, y de la energía consumida (o producida)
durante las distintas etapas de la producción de un bien
ya sea a través de un proceso industrial o de uno que
incluya una fase agraria y de manejo de recursos
naturales.
Algunas definiciones para recordar
„
Sistema: se refiere a la
porción del universo en
el cual se centra nuestro
estudio. Puede
comprender una
cantidad fija de masa, o
un espacio o volumen
determinado, o incluso
una determinada
extensión de territorio.
Sistema y sus interacciones
Tipos de Fronteras
¿Cómo definir las fronteras?
„
La frontera de un sistema se escoge por
conveniencia de acuerdo a:
„
„
1- lo que se sabe de un posible sistema,
particularmente en sus fronteras; y
2- el objetivo del análisis
Sistema cerrado
„
Cuando no hay flujo de
material a través de las
fronteras del sistema, se
habla de un sistema
cerrado.
„
„
Muchos análisis se
pueden realizar usando
este modelo.
Un caso especial es
cuando no hay ningún
tipo de interacción con
los alrededores. Entonces
se habla de un sistema
aislado.
Volumen de control
„
„
En muchas situaciones es
más conveniente estudiar el
material contenido en una
región del espacio, y que
está fluyendo a través de
ella. En este caso se utiliza
el volumen de control.
Este modelo no reemplaza
al concepto de sistema, sino
que lo amplía al considerar
aquellos casos que
involucran velocidades y
fuerzas aplicadas.
Volumen de control
„
„
Muchos procesos de flujo
estable se estudian mejor
utilizando el enfoque del
volumen de control.
Cuando se centra la
atención en una región, es
más conveniente el uso de
este enfoque, ya que se
consideran únicamente las
interacciones en las
fronteras, y no se toma en
cuenta lo que suceda
dentro.
Estado y equilibrio
„
„
„
El estado de un sistema se refiere a la
asignación de valores en las
propiedades del mismo.
Cuando un sistema está en equilibrio
no existen potenciales desbalanceados
dentro del sistema.
Un sistema en equilibrio no
experimenta cambios cuando se le
aísla de los alrededores.
Tipos de equilibrios de interés
„
„
„
Equilibrio térmico (la T es la misma)
Equilibrio mecánico (la suma de las
fuerzas actuando es cero)
Equilibrio material.
Si hay más de una fase, la masa de ellas no
varía.
„ Si es un sistema con reacción química, la
composición de la mezcla no cambia.
„
Procesos y ciclos
„
„
„
Cualquier cambio que un
sistema experimenta
desde un estado de
equilibrio a otro se
conoce como proceso.
La serie de estados por
los que pasa el sistema
durante el proceso se
conoce como
trayectoria.
Un proceso cuyo estado
inicial y final son
idénticos se conoce
como un ciclo.
Tipos de procesos
„
Nos interesan tres tipos de procesos:
„
„
„
„
„
Procesos de cambio físico.
Procesos de cambio químico.
Procesos donde hay cambios tanto físicos como químicos.
En los procesos de cambio físico las sustancias no
cambian en su naturaleza química, pero sí pueden
cambiar de estado de agregación. Los procesos de
mezclado, separación, de cambio de fase, etc., caen
dentro de esta categoría.
Los procesos con cambio químico afectan la naturaleza
de las sustancias, convirtiéndolas en otras con distintas
propiedades. Las reacciones químicas son las que
representan este tipo.
Variables del proceso.
„
„
„
Este término se refiere a las propiedades
que describen el estado de los sistemas.
Las propiedades son objeto de medición o
de estimación.
Las más utilizadas son: temperatura,
presión, densidad, volumen, contenido de
energía, velocidad.
Dimensiones y unidades
„
„
Se le llama dimensión a una característica
sujeta a medición o estimación. Las más
usadas son: longitud, masa, tiempo,
temperatura.
Una unidad es la cuantificación de una
dimensión, ya sea de manera individual o
combinada. Así, hay unidades de longitud, de
masa, de tiempo y de temperatura, pero
también las hay de otras propiedades como la
velocidad, la energía, el potencial eléctrico,
etc., que se forman por combinación de las
dimensiones básicas a través de una relación
funcional. Por ejemplo, la fuerza.
Sistemas de unidades.
„
„
Son las unidades las que se agrupan en
conjuntos o sistemas.
El más usado es el Sistema Internacional (SI),
cuyas unidades son:
„
„
„
„
„
„
„
„
Masa: kilogramo (kg)
Longitud: metro (m)
Tiempo: segundo (s)
Temperatura: kelvin (K)
Fuerza: newton (N)
Energía: joule (J y kJ)
Potencia: watt (W)
Cantidad de sustancia: moles (n)
Sistema inglés
„
„
„
„
„
„
„
„
Masa: libra-masa (lbm)
Fuerza: libra-fuerza (lbf)
Tiempo: segundo (s)
Longitud: pie (ft)
Energía: lbf-pie
Potencia: lbf-pie/s
Temperatura: ° rankine (°R)
Cantidad de sustancia: moles-libra (mol-lb)
Unidad 2
¾
Balances de masa.
Principio de conservación de la masa y
ecuación general del balance de masa.
¾ Balances totales y por componente.
¾ Balances de masa sin reacción química.
¾ Balances de masa con reacción química.
¾
Principio de conservación de la
masa.
„
„
Los balances de masa se fundamentan en el
principio de conservación de la masa: la masa
no se crea ni se destruye. Premisa que para
nuestros fines es más que suficiente, pero no
absoluta.
Lo anterior se basa en la observación que para
sistemas cerrados y abiertos, la distribución de
los materiales puede cambiar entre un instante
inicial y uno final, debido a cambios físicos o
químicos, pero la cantidad total, medida en
unidades de masa, se mantiene antes y después
de un proceso.
Ecuación general del balance de
masa en procesos físicos.
⎛ Cambio en la
⎞
⎜
⎟ ⎛ Masa total ⎞ ⎛ Masa total ⎞
⎟⎟ − ⎜⎜
⎟⎟
⎜ cantidad de masa ⎟ = ⎜⎜
⎜ del sistema.
⎟ ⎝ que entra ⎠ ⎝ que sale ⎠
⎝
⎠
„
„
„
La expresión anterior se puede escribir en términos
totales, o en forma de rapidez.
En los procesos en los que la cantidad de masa del
sistema está cambiando interesa a veces saber con qué
rapidez lo hace, en ese sentido, la masa que entra y que
sale se expresa en forma de flujo másico (kg/s, kg/h,
kg/día, ton/día, ton/año, etc).
Dentro del caso anterior pueden entrar las situaciones
de llenado y vaciado de tanques o estanques.
„
„
„
La expresión como la descrita antes se
conoce como un balance total de masa,
pues sólo se fija en la cantidad total de
materiales, sin hacer distinción de las
clases de sustancias contenidas en el
sistema.
También, es aplicable tanto si las
sustancias son líquidas o gaseosas.
En este último caso, lo que puede cambiar
son otro tipo de propiedades como la
velocidad o la densidad, pero ellas deben
hacerlo sujetas a la restricción de la
expresión general.
„
„
„
Si dentro del sistema ocurre un cambio de fase,
un mezclado, o una separación de sustancias, se
pueden plantear también balances por
componente, en los cuales se describe la
manera cómo se distribuyen las sustancias en
las distintas corrientes de entrada y salida.
Un ejemplo sería un equipo de aire
acondicionado, en el cual entra aire ambiente
húmedo y debido al enfriamiento el agua se
condensa y se separa del aire, saliendo por un
lado aire frío más seco y agua condensado por
el otro lado.
Para este tipo de balances se requiere más
información dada a través de la composición de
las corrientes.
„
„
La composición se refiere a la cantidad de
sustancia presente en una mezcla de
sustancias.
Esta suele expresarse de varias maneras:
en fracción de la masa, en fracción molar,
y en los casos cuando las cantidades
presentes son muy pequeñas, se suele
usar medidas como las ppm.
Ecuación general del balance de
masa en procesos químicos.
⎞
⎛ Cambio en la
⎟ ⎛ Moles totales ⎞ ⎛ Moles totales ⎞
⎜
⎟⎟ − ⎜⎜
⎟⎟ +
⎜ cantidad de moles ⎟ = ⎜⎜
⎠
⎟ ⎝ que entran ⎠ ⎝ que salen
⎜ del sistema.
⎠
⎝
⎛ Moles totales ⎞ ⎛ Moles totales ⎞
⎟⎟ − ⎜⎜
⎟⎟
⎜⎜
⎝ generados ⎠ ⎝ consumidos ⎠
Mol: es la cantidad de sustancia que contiene 6.023 x 1023
unidades de dicha sustancia. El número descrito se conoce como
Número de Avogadro. Así, un mol de agua contiene 6.023 x 1023
moléculas de agua y en conjunto tienen una masa de 18
gramos. Lo mismo se puede aplicar a cualquier sustancia.
„
„
„
„
„
A diferencia del balance de masa sin reacción química,
para este caso hay que considerar que aparecerán
nuevas especies generadas por la reacción química y
consumidas por ella. De allí que aparezcan términos de
generación y consumo.
Como es de esperarse, la composición de la mezcla
cambiará a medida que la reacción avance, y al final
puede ser que sólo haya sustancias generadas, o que
queden todavía reactivos sin consumir.
Esto se cuantifica a través de la conversión de la
reacción.
En los procesos industriales se busca obtener el máximo
de conversión pues normalmente el producto es el que
tiene mayor valor económico.
En los procesos de tratamiento de efluentes, se busca
también la mayor conversión de los materiales en
sustancias más inocuas o que sean de más fácil
transporte y disposición.
„
„
„
„
Otro aspecto durante los procesos con reacción
química es que las sustancias generadas pueden
estar en diferente estado de agregación que las
que entraron.
Durante la reacción pueden generarse gases o
líquidos para una entrada de material sólido, o
pueden generarse sólidos a partir de una
corriente de entrada que sólo tenga sustancias
disueltas.
Para los procesos industriales, estos flujos de
materiales son separados del sitio donde ocurre
la reacción (llámese reactor, quemador, tanque
de tratamiento, etc) y deben ser procesados de
acuerdo a su naturaleza y propiedades.
En los procesos naturales también pueden haber
separaciones de sustancias de distinto estado de
agregación.
„
„
„
„
Cuando ocurre una reacción química, la
información a recopilar es mayor, pues además
de la composición de las corrientes de entrada,
se debe conocer con suficiente confiabilidad la
composición de las corrientes de salida.
Esto es importante para el control de la reacción
y tener seguridad que el grado de conversión
alcanzado es el que se espera.
Acá, el balance de masa se suele hacer sobre las
especies químicas presentes o en base a la masa
o moles de los elementos químicos que forman
las distintas corrientes.
Así, es usual escuchar términos como balance de
carbono, balance de oxígeno, balance de
nitrógeno, etc.
Unidad 3. Balances de Energía
La primera ley de la termodinámica
¾ Enfoques para resolver balances de
energía.
¾ Balances sin reacción química.
¾ Balances con reacción química.
¾
Primera ley de la termodinámica.
„
„
„
„
La PLT es una principio natural y sus enunciados
están basados en la experiencia cotidiana.
Su aplicación práctica está orientada a la
utilización más eficiente de la energía, a la
evaluación de fuentes energéticas, y a
contabilizar cuánta de ella se usa en los
procesos de producción.
Su enunciado más conocido es que la energía no
se crea ni se destruye, sólo se transforma.
Entendemos por energía a la capacidad de los
sistemas para realizar cambios.
„
„
„
Energía es un concepto del que todos
tenemos alguna noción.
Una idea básica es que la energía puede
estar almacenada dentro de los sistemas
en varias formas. La energía puede
también ser convertida de una forma en
otra, y transferida entre sistemas.
Para sistemas cerrados, la energía puede
ser transferida en forma de trabajo y
calor.
Formas de la energía
„
„
„
„
„
„
„
„
Térmica
Mecánica
Cinética
Potencial
Eléctrica
Magnética
Química
Nuclear
Formas de la energía
Energía interna :U
1 2
Energía cinética: EK = mv ;
2
Energía potencial: EP = mgz;
v2
eK =
2
eP = gz
Energía total :
1 2
U + EK + EP = U + mv + mgz
2
v2
Energía total específica: u + + gz
2
Sistemas de flujo
„
Los volúmenes de
control involucran
flujos de fluidos por
períodos prolongados
de tiempo, y se hace
más conveniente
expresar el flujo de
energía en forma de
razones.
m& = ρV& = ρv prom A
flujo de energía:
E& = m& e (kJ/s = kW)
La transferencia de energía
„
„
„
Las formas de energía mencionadas
anteriormente están contenidas en el sistema, y
de alguna forma pueden considerarse como
formas estáticas de la energía.
Las formas dinámicas de la energía constituyen
las formas de transferencia de la misma, y se
conocen como interacciones energéticas.
En el lenguaje cotidiano, nos referimos a veces a
las formas sensibles y latentes de la energía
como calor, pero en termodinámica es
preferible llamarles energía térmica.
“Organización” de la energía
„
„
Las formas más útiles de
la energía son aquellas a
las que podríamos
denominar organizadas.
La energía cinética
macroscópica de un
cuerpo de agua es más
organizada que la energía
cinética de sus moléculas,
y por tanto, es más fácil
de convertir en otras
formas útiles.
Energía mecánica
„
Se le llama así a todas las formas de energía que posee
un sistema que puede ser convertida fácilmente en
trabajo mecánico de manera completa y directa por
medio de algún dispositivo mecánico como una turbina.
emecánica
1 2
= + v + gz
ρ 2
P
⎞
⎛P 1 2
e&mecánica = m& emec = m& ⎜⎜ + v + gz ⎟⎟
⎠
⎝ρ 2
P2 − P1 v22 − v12
∆emec =
+
+ g (z 2 − z1 )
ρ
2
∆E& mec = m& ∆emec
⎛ P2 − P1 v22 − v12
⎞
= m& ⎜⎜
+
+ g ( z 2 − z1 )⎟⎟
2
⎝ ρ
⎠
Transferencia de energía por
calor.
„
„
„
„
La energía puede cruzar la
frontera de un sistemas en dos
formas: calor y trabajo.
El calor es la transferencia de
energía entre dos sistemas (o
entre un sistema y sus
alrededores) debido a una
diferencia de temperatura.
El calor es energía en
transición, y sólo se puede
identificar cuando cruza la
frontera entre el sistema y los
alrededores.
Un proceso en el que no hay
transferencia de calor se
conoce como adiabático.
Transferencia de energía por
trabajo.
„
„
„
„
„
Al igual que el calor, el trabajo
es una interacción energética
con los alrededores.
Si la energía que cruza la
frontera de un sistema cerrado
no es calor, pues sólo podrá
ser trabajo.
El trabajo es la transferencia
de energía asociada con una
fuerza actuando a través de
cierta distancia.
Tiene las mismas unidades del
calor por ser energía
transfiriéndose: kJ.
El trabajo por unidad de masa
es w=W/m
Ejemplos de trabajo
Balance de energía sin reacciones
químicas.
⎤
⎡Cantidad neta de energía
Energía
transferid
a
de
Cambio
en
la
cantidad
⎤ ⎢
⎤ ⎡
⎡
⎥
transferid
a
hacia
el
sistema
⎢de energía contenida en ⎥ ⎢manera neta hacia el sistema ⎥ ⎢
⎥
⎥ + ⎢a través de las fronteras en ⎥=⎢
⎢
⎥
⎢el sistema en un interva ‐⎥ ⎢por las corrientes de flujo de ⎥ ⎢
⎥
⎥ ⎢forma de transferencia de calor ⎥
⎥ ⎢
⎢
⎦ ⎢en un intervalo de tiempo
⎦ ⎣entrada y salida
⎣lo de tiempo
⎥⎦
⎣
⎤
⎡Cantidad neta de energía
⎥
⎢transferida desde el sistema
⎥
⎢
+ ⎢a través de las fronteras en forma⎥
⎥
⎢
de
trabajo
en
un
intervalo
de
⎥
⎢
⎥⎦
⎢⎣tiempo.
Primera ley de la
termodinámica.
„
El cambio neto (incremento o disminución) en la
energía total de un sistema durante un proceso
es igual a la diferencia entre la energía total que
entra y la energía total que sale del sistema
durante el proceso.
∆
∆
sistema
K
+∆
=
P
2
−
1
= −
+∆ =
entra
−
sale
Mecanismos de transferencia de
energía.
„
„
„
Transferencia de calor, Q.
Transferencia de trabajo, W.
Flujo másico, m
entrada
−
salida
=(
(
=∆
entrada
−
salida
masa ,entrada
sistema
−
)+ (
entrada
masa ,salida
)
−
salida
)+
Balance de energía con reacciones
químicas.
⎤
⎤ ⎡Cantidad neta de energía
⎡Cantidad neta de energía
Cambio
en
la
cantidad
⎤ ⎢
⎡
⎥
⎥ ⎢transferida desde el sistema
⎢de energía contenida en ⎥ = ⎢transferida hacia el sistema
⎥
⎥+⎢
⎥ ⎢a través de las fronteras en ⎢
⎥ ⎢a través de las fronteras en forma⎥
⎥⎦ ⎢
⎢⎣el sistema.
⎥
⎥ ⎢
⎦
⎣forma de transferencia de calor⎦ ⎣de trabajo.
⎤
⎡Energía liberada en forma
⎡Transferencia neta de energía ⎤
+ ⎢⎢neta por las reacciones químicas⎥⎥ + ⎢
⎥
por las corrientes de flujo
⎣
⎦
⎥⎦
⎢⎣dentro del sistema.
Enfoques para resolver balances
de energía
„
„
„
Acá se utilizan los mismos que para el balance
de materia: el enfoque de sistema, y el de
volumen de control.
El primero se aplica a una masa fija seleccionada
como el sistema, y el segundo a una región en
el espacio donde la materia transcurre de
manera estacionaria o no, y que está limitada
por una frontera escogida a conveniencia.
Las consideraciones en el caso de haber
reacciones químicas tienen que ver con la
energía liberada o consumida por las reacciones,
las cuales deben contabilizarse en el balance.
Unidad 4. Representación de los
balances de materia y energía
¡Muchas gracias!
Leonel Hernández
[email protected]